Электрогенетическое исследование показало, что однажды мы сможем контролировать наши гены с помощью носимых устройств

Компоненты звучат как последствия похода по магазинам и спа: три батарейки типа АА. Две иглы для электроакупунктуры. Один пластиковый держатель, который обычно крепится к гирлянде на батарейках. Но вместе они сливаются в мощное устройство стимуляции, которое использует бытовые батарейки для контроля экспрессии генов в клетках.

Идея кажется дикой, но нового исследования in Природа Метаболизм эта неделя показала, что это возможно. Команда под руководством доктора Мартина Фуссенеггера из ETH Zurich и Базельского университета в Швейцарии разработала систему, использующую электричество постоянного тока — в виде батарей или портативных аккумуляторов — для включения гена в клетках человека у мышей. буквально с помощью переключателя.

Чтобы было ясно, аккумулятор не может регулировать в естественных условиях гены человека. На данный момент это работает только для созданных в лаборатории генов, вставленных в живые клетки. Тем не менее, интерфейс уже оказал влияние. В ходе проверки концепции ученые имплантировали генетически модифицированные клетки человека мышам с диабетом 1 типа. Эти клетки обычно молчат, но могут выкачивать инсулин при активации электрическим разрядом.

Команда использовала иглы для акупунктуры, чтобы доставлять триггер в течение 10 секунд в день, и уровень сахара в крови у мышей нормализовался в течение месяца. Грызуны даже восстановили способность управлять уровнем сахара в крови после обильной еды без необходимости внешнего инсулина, что обычно является трудным подвигом.

Эти интерфейсы, называемые «электрогенетикой», все еще находятся в зачаточном состоянии. Но команда особенно взволнована их потенциалом в носимых устройствах для непосредственного руководства терапией метаболических и, возможно, других нарушений. По их словам, поскольку для установки требуется очень мало энергии, три батарейки типа АА могут запускать ежедневную инъекцию инсулина в течение более пяти лет.

Это последнее исследование, в котором аналоговые элементы управления телом — экспрессия генов — соединяются с цифровым и программируемым программным обеспечением, таким как приложения для смартфонов. Система — это «скачок вперед, представляющий собой недостающее звено, которое позволит носимым устройствам контролировать гены в не столь отдаленном будущем», — заявила команда.

Проблема с генетическим контролем

Экспрессия генов работает аналогично. ДНК состоит из четырех генетических букв (A, T, C и G), которые напоминают нули и единицы компьютера. Однако генетический код не может строить и регулировать жизнь, если он не переведен в белки. В процессе, называемом экспрессией генов, задействованы десятки биомолекул, каждая из которых контролируется другими. «Обновления» любых генетических цепей вызываются эволюцией, которая работает в заведомо длительных масштабах времени. Несмотря на свою мощь, учебник по биологии не совсем эффективен.

Займитесь синтетической биологией. Поле собирает новые гены и подключается к клеткам, чтобы формировать или перенастраивать сложные схемы, используя логику машин. Ранние эксперименты показали, что синтетические цепи могут контролировать биологические процессы, которые обычно приводят к раку, инфекциям и боли. Но для их активации часто требуются молекулы в качестве триггера — антибиотики, витамины, пищевые добавки или другие молекулы, — что удерживает эти системы в сфере аналоговых биологических вычислений.

Нейронные интерфейсы уже преодолели разрыв между нейронными сетями — аналоговой вычислительной системой — и цифровыми компьютерами. Можем ли мы сделать то же самое для синтетической биологии?

Цифровая синтетическая биология

Решением команды является технология регулирования, приводимая в действие постоянным током, или DART.

Вот как работает установка. В основе лежат активные формы кислорода (АФК), часто известные как злодеи, вызывающие старение и износ тканей. Однако наши тела обычно производят эти молекулы в процессе обмена веществ.

Чтобы свести к минимуму повреждение молекул, у нас есть природный белковый биосенсор для измерения уровня АФК. Биосенсор тесно сотрудничает с белком под названием NRF2. Пара обычно находится в липкой части клетки, изолированной от большей части генетического материала. Когда уровень АФК повышается до угрожающей скорости, сенсор высвобождает NRF2, который туннелирует в контейнер для хранения ДНК клетки — ядро, чтобы включить гены, которые убирают беспорядок АФК.

Почему это имеет значение? Авторы объяснили, что NRF2 может быть генетически модифицирован для включения других генов с использованием синтетической биологии. Нагрузка предыдущего работает показал электричество может заставить клетки выкачивать АФК на безопасном уровне для генетического контроля. Другими словами, стимуляция клеток электричеством может высвободить АФК, которые затем активируют «секретный агент» NRF2, чтобы включить любой ген по вашему выбору.

DART объединяет всю эту предыдущую работу в высокоэффективную систему с низким энергопотреблением для управления электрическими генами. Батарейки — это спусковой крючок, ROS — мессенджер, а NRF2 — генетический переключатель.

Чтобы построить систему, клетки человека в чашках Петри сначала прошли генетическую настройку, чтобы заставить их экспрессировать больше биосенсора и NRF2, чем их природные аналоги, что, в свою очередь, сделало сконструированные клетки более приспособленными к уровням АФК.

Затем последовала разработка спускового крючка. Здесь команда использовала электрические иглы для акупунктуры, уже одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA). Для питания игл команда исследовала использование батарей типа АА, ААА или кнопок (последние обычно находятся внутри носимых устройств) и измерила различные конфигурации батарей, которые давали достаточное напряжение для стимуляции АФК в спроектированных клетках.

В одном испытании в качестве индикатора использовался светящийся в темноте зеленый белок. Поражая клетки короткими вспышками электричества, выкачивались молекулы АФК. Биосенсоры клетки активизировались, в свою очередь высвобождая NRF2, который зацепился за синтетически добавленный генетический механизм, экспрессирующий зеленые белки, и включил его.

Электрический триггер был полностью обратимым, клетки «сбрасывались» в нормальные, здоровые состояния и могли выдержать еще один электрический уход на второй круг.

«Мы давно хотели напрямую контролировать экспрессию генов с помощью электричества; теперь мы, наконец, преуспели», — сказал Фюссенеггер.

Батарейное решение диабета?

Воодушевленные, команда затем попыталась использовать DART для управления геном инсулина. Инсулин необходим для регулирования уровня сахара в крови, и его уровень нарушается при диабете. Команда не чужая на поле, ранее инжиниринг дизайнерские клетки, которые выкачивают инсулин в ответ на изменения напряжения.

Используя DART, команда генетически встроила гены, продуцирующие инсулин, в клетки человека, которые включались только в присутствии АФК после электрической стимуляции. Установка отлично работала в чашках Петри: клетки высвобождали инсулин после того, как их выключили электричеством, а затем облили АФК.

Затем сконструированные клетки инкапсулировали в клинически лицензированное желеобразное вещество и имплантировали под кожу на спину мышам с диабетом 1 типа. Эти мыши обычно не могут производить инсулин самостоятельно.

Контроллер DART относительно прост: две иглы для акупунктуры, покрытые платиной, питаются от трех батареек типа АА и подключены к выключателю питания на 12 В, который нацеливается на имплантированные искусственные клетки. В качестве контроля команда также уколола мышей акупунктурными иглами вдали от имплантированных клеток. Каждая группа отключалась всего на 10 секунд в день.

По сравнению с контрольной группой всего за четыре недели электрогенетическое лечение показало себя многообещающе. Мыши могли лучше бороться с низким уровнем сахара в крови с помощью диеты, и в конечном итоге они восстановили нормальный уровень сахара в крови. Они также умели регулировать уровень сахара в крови после еды, что сложно у людей с диабетом без использования инсулина. Другие метаболические показатели также улучшились.

Следующим шагом является поиск способов заменить потребность в генетически модифицированных клетках, используемых в имплантатах, более клинически жизнеспособным решением.

Но для авторов DART представляет собой дорожную карту для дальнейшего перехода биологических тел в цифровую сферу. Должно быть несложно связать элементы управления DART с широким спектром биофармацевтических препаратов внутри клеток. По словам авторов, с большей оптимизацией эти электрогенетические интерфейсы «открывают большие перспективы для различных будущих генных и клеточных методов лечения».

Изображение Фото: Пегги и Марко Лахманн-Анке от Pixabay

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/08/04/electrogenetics-study-finds-we-could-one-day-control-our-genes-with-wearables/